沈阳工业大学《半导体物理》教学PPT第一章

第一章半导体中的电子状态本章主要讨论半导体中电子的运动状态。定性介绍能带理论，利用Schrodinger方程和Kroning-Penney模型近似推导关于半导体中电子的状态和能带特点。引入有效质量和空穴的概念，阐述本征半导体的导电机构。最后简单介绍几种半导体材料的能带结构。§1.1**半导体的晶体结构和结合性质CrystalStructureandBondsinSemiconductors学习重点：1、晶体结构：（1）金刚石型：Ge、Si（2）闪锌矿型：GaAs2、化合键：（1）共价键：Ge、Si（2）混合键：GaAs1、金刚石型结构和共价键化学键：构成晶体的结合力。由同种晶体组成的元素半导体，其原子间无负电性差，它们通过共用一对自旋相反而配对的价电子结合在一起。共价键（1）共价键的特点①饱和性；②方向性。（2）金刚石型结构{100}面上的投影（3）金刚石结构的结晶学原胞Si：a=5.65754埃Ge：a=5.43089埃2、闪锌矿结构和混合键材料：Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体。化学键：共价键+离子键。（1）闪锌矿结构的结晶学原胞3、纤锌矿结构ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe。§1.1能带论方法简介学习重点：1、理解能带论的思想方法2、掌握能带论的重要结论§1.2克隆尼克-鹏奈模型和能带学习重点：1、通过该模型理解能带论的思想方法2、导带、价带与禁带哈尔滨工业大学微电子科学与技术系•简约布里渊区与能带简图（允带与允带之间为禁带）1、克隆尼克-鹏奈模型（1）每隔1/a的k表示的是同一个电子态；（2）波矢k只能取一系列分立的值，每个k占有的线度为1/L。•布里渊区的特征（3）满带中的电子不导电由于，E(k)=E(-k)v(k)=-v(-k)而I=q{1×[1×V(k)]}有I(A)=-I(-A)结论：+k态和-k态的电子电流相互抵消。所以，满带中的电子不导电。而对部分填充的能带，将产生宏观电流。dkdEhv1（1）孤立原子的能级2、原子的能级和晶体的能带（2）晶体的能带•电子共有化运动•能级的分裂（1）导体、绝缘体和半导体的能带模型（2）本征激发定义：价带电子吸收声子跃迁到导带的过程→本征激发。3、导体、半导体、绝缘体的能带（1）有效质量引入问题的提出真空中的自由电子，其运动规律满足经典力学公式，而晶体中电子的加速度原因在于周期性势场的存在。为与经典力学一致，引入一个参量使得它综合了周期性势场的作用，反映了晶体中电子抵抗外场力的惯性0mfa外场nmnmfa外场§1.3半导体中电子运动有效质量如此引入了有效质量后，显然可以用牛顿力学公式的形式处理晶体中电子运动问题。是否可行，关键在于它是否依附外界因素。（2）电子运动及的公式理论推导可得可见这一参量由材料的自身属性所决定。因此有效质量的引入是合理的。（3）利用给出的E(k)表达式（4）关于有效质量的讨论222*11zzkEhmnmnm（1）空穴的引入电子状态本是虚无，因为有电子它才有了实际意义。空穴是为了处理价带中电子导电问题而引入的假想粒子。价带中每出现一个空状态（缺少一个电子）便相应引入一个空穴，并赋予其有效质量和电荷量刚好与该状态下电子的相反，即这样引入的假想粒子——空穴，其形成的假想电流刚好等于价带中的电子电流。因此在计算半导体电流时，虽然只计算空穴电流，但实际上算的是价带中电子的电流。npmmqqqnp§1.4本征半导体的导电机构空穴（2）讨论摆脱原有的空穴观念半导体导电是由两种载流子运动形成的，其实质仍是电子导电空穴电子§1.5回旋共振及常见半导体的能带结构1、回旋共振现象2303*322202*222101*1202303222202222101220)(2)(2)(2)()(21)(21)(21)()(303202101kkmhkkmhkkmhkEkkkEkkkEkkkEkEkEkkkkkk)()()(2)(2)(202303*322202*222101*12kEkEkkmhkkmhkkmh则，上式代表的是一个椭球等能面。为了形象而直观地表示E(k)-k的三维关系，我们用k空间中的等能面反映E(k)-k关系。2、三维情况下的E(k)-k关系和等能面§1.5回旋共振及常见半导体的能带结构3、回旋共振频率的理论推导4、n型硅的回旋共振实验结果分析5、Si、Ge和GaAs能带结构的基本特征（1）Si、Ge能带结构及特征•Si的能带结构•Ge的能带结构•Si、Ge禁带结构的主要特征①禁带宽度Eg随温度增加而减小—即Eg的负温度特性；Eg(T)=Eg(0)-αT2/（T+β）α=4.73×10-4eV/Kβ=636Kα=4.7774×10-4eV/Kβ=235K②Eg：T=0时，Eg(Si)=1.170eVEg(Ge)=0.7437eV；③间接带隙结构。Si→Ge→dEg/dT=-2.8×10-4eV/KdEg/dT=-3.9×10-4eV/K（2）GaAs能带结构及特征•GaAs的能带结构•GaAs能带结构的主要特征①Eg负温度系数特性；dEg/dT=-3.95×10-4eV/K②Eg(300K)=1.428eVEg(0K)=1.522eV；③直接带隙结构。